El futuro de las supercomputadoras: Qué es una computadora cuántica

La computación cuántica promete revolucionar el mundo de la tecnología con sus aplicaciones de la física cuántica. A diferencia de la gran mayoría de las computadoras de hoy en día, las computadoras cuánticas no usan el sistema binario de unos y ceros. En su lugar, utilizan cúbits para hacer cálculos enormes en cuestión de microsegundos.

Pero, ¿esta tecnología significa que las computadoras cuánticas son las supercomputadoras del futuro? ¡Sigue leyendo para descubrir qué nos espera con esta nueva tecnología!

¿Qué es la computación cuántica?

La computación cuántica emplea las leyes de la mecánica cuántica para procesar información. La mecánica cuántica es el área de la física que explica el comportamiento de la energía en un nivel atómico y subatómico. Al tratar con partículas subatómicas, como electrones y fotones, la computación cuántica puede hacer una multitud de operaciones simultáneamente. 

Esta habilidad le permite a la computación cuántica realizar tareas que no serían posibles en la computación clásica, ya que tomarían miles de años. Para ello, las computadoras cuánticas organizan materia subatómica en cúbits, y esto les permite ser mucho más veloces que una computadora tradicional.

¿Qué es un cúbit?

El cúbit, también conocido como bit cuántico, es la unidad mínima para organizar y guardar información en la computación cuántica. Al igual que un bit de la computación clásica, un cúbit tiene dos estados diferentes: uno representando cero y otro representando uno. Lo que hace a un cúbit especial es que cada uno puede existir en un plano multidimensional, permitiéndole tomar una multitud de valores al mismo tiempo.

Asimismo, un cúbit se puede ligar a una red de cúbits para lograr un aún mayor número de combinaciones simultáneas. Gracias a la aplicación de la superposición cuántica, cada cúbit puede tener un número infinito de valores. Esto hace que una computadora cuántica pueda ejecutar billones de operaciones simultáneamente, permitiéndole resolver en tan solo 36 microsegundos un problema que le tomaría más de 9,000 años a una computadora clásica.  

Por ejemplo, supongamos que un banco busca optimizar sus modelos financieros utilizando un algoritmo clásico. Para ello, una computadora común necesita hacer cálculos de manera continua, ya que los bits solo pueden tomar un valor a la vez. Esto significa que el número de variables que el banco puede incluir en su modelo está limitado por la CPU de su computadora.

Con una computadora cuántica, el banco puede crear un modelo con una cantidad infinita de variables, ya que los cúbits pueden tomar múltiples valores al mismo tiempo. Esto le permitirá al banco usar un algoritmo que pueda optimizar aún más sus modelos financieros.

Diferencias entre la computación cuántica y la computación clásica

La mayor diferencia entre estas es la arquitectura de datos. La computación clásica utiliza un sistema binario para hacer cálculos, mientras que la computación cuántica utiliza un sistema multidimensional. Debido a la manera en la que la computación cuántica procesa los datos, hay algunas diferencias considerables entre las dos.

Procesamiento de datos

Las computadoras cuánticas pueden ejecutar un número incomparable de operaciones en cuestiones de microsegundos. Esto le permite a las computadoras cuánticas lograr resolver problemas mucho más complicados que una computadora clásica. 

Otra diferencia importante es que el poder de procesamiento de las computadoras cuánticas crece exponencialmente conforme crece el número de cúbits. Mientras más cúbits se agregan a un sistema cuántico, más valores simultáneos puede mantener cada cúbit. Por otro lado, el poder de procesamiento de una computadora clásica solo puede crecer de manera lineal. 

Lenguaje de programación

Los lenguajes de programación clásica no son compatibles con la computación cuántica. Ya que esta emplea la superposición cuántica, los programadores deben tomar esto en cuenta para escribir un algoritmo que pueda considerar todas las variables en un solo paso. 

Funcionalidad

Una computadora clásica es adecuada para el uso diario, mientras que una computadora cuántica es ideal para resolver problemas complejos. Aunque las computadoras cuánticas podrían cambiar el mundo con sus aplicaciones, es poco probable que se incorporen a la vida cotidiana de las personas en un futuro próximo. 

¿Cómo funciona la programación cuántica?

La programación cuántica es completamente distinta a la programación clásica, ya que las variables mantienen una multitud de valores simultáneos. Los lenguajes de programación cuántica utilizan puertas lógicas cuánticas para hacer operaciones sobre un número de cúbits. 

Las puertas lógicas cuánticas son representadas por una matriz unitaria, que es una matriz de números complejos tal que su transposición conjugada es igual a su inverso. Los cúbits son representados por vectores, puesto que pueden tener múltiples valores simultáneos. Por ende, una matriz es la manera ideal para trabajar con ellos. 

Es posible programar para una computadora clásica utilizando un lenguaje tradicional con un kit para desarrollo cuántico. Por ejemplo, Microsoft desarrolló el lenguaje de programación Q# para computación cuántica, que usa elementos de Python. IBM desarrolló el kit Qiskit, que puede ser usado en Python para desarrollar programas cuánticos.

¿Para qué sirve una computadora cuántica?

Una computadora cuántica puede hacer cálculos con mucho mayor velocidad que una computadora tradicional, ya que los cúbits pueden tener más de un valor a la vez. Esta habilidad de hacer cálculos simultáneos presenta una solución a los problemas de complejidad computacional. Estos son los problemas de la teoría de computación que pueden ser resueltos en teoría, pero no en práctica, porque a una computadora tradicional le tomaría demasiado tiempo resolverlos.

Posibles aplicaciones de una computadora cuántica

Por el momento, las computadoras cuánticas tienen pocas aplicaciones para uso personal. Son más adecuadas para resolver problemas de optimización y de big data, lo que sin duda tiene el poder de transformar la vida cotidiana de la humanidad. Estas son algunas de las posibles aplicaciones más importantes de la computación cuántica. 

Industria farmacéutica

Una de las aplicaciones más anticipadas de la computación cuántica es en la industria farmacéutica. Una simulación cuántica permitirá a estas compañías analizar simultáneamente cómo interactúa un gran número de moléculas, proteínas y químicos. Así, las desarrolladoras de farmacéuticos podrán resolver problemas que una computadora convencional no podría.

La promesa de revolucionar la industria farmacéutica es tan grande que las compañías más importantes de este sector están impulsando el desarrollo de la computación cuántica. Por ejemplo, la compañía farmacéutica suiza Roche colabora con Cambridge Quantum en el Reino Unido para apoyar el desarrollo de esta tecnología y su aplicación en la industria farmacéutica. 

Finanzas

El mundo de las finanzas depende de modelos económicos y series masivas de transacciones. Una computadora cuántica tiene el poder de revolucionar ambos al poder agilizar los procesos. Bancos como JP Morgan Chase, HSBC y CaixaBank están invirtiendo en el mundo de la computación cuántica para desarrollar aplicaciones financieras. 

Cambio climático

La computación cuántica promete ser un importante aliado en la lucha contra el cambio climático. Al utilizar la teoría de la mecánica cuántica, estos modelos computacionales pueden revolucionar la manera en la que generamos y almacenamos energía, diseñamos y construimos carros y diversos medios de transporte e incluso cómo construimos edificios.

Limitaciones de una computadora cuántica

Si bien la computación cuántica tiene mucho potencial, también tiene muchas limitaciones. Es imprescindible que los científicos de mecánica cuántica puedan sobrepasar estas limitaciones para poder aprovechar el potencial de las computadoras cuánticas al máximo. 

Decoherencia

La decoherencia cuántica es el proceso en el que los estados cuánticos pierden su coherencia, que es la manera en la que estos se conectan entre sí. Un estado cuántico que pierde la coherencia también pierde la habilidad de tomar más de un valor a la vez, eliminando las ventajas fundamentales de la computación cuántica. 

La decoherencia es uno de los problemas más grandes en la computación cuántica, ya que los cúbits tienden a deteriorarse con las más mínimas vibraciones y cambios en temperatura. Es por esto que las computadoras cuánticas deben permanecer en lugares altamente controlados, con temperaturas de hasta -273 °C. 

Problemas de fiabilidad

La computación cuántica aún se encuentra en un estado de desarrollo bastante prematuro, así que los cálculos realizados por estas nuevas computadoras tienden a tener errores. Hasta que la tecnología se haya desarrollado y las computadoras cuánticas puedan ejecutar cálculos con mayor certeza, no se podrá confiar del todo en ellas.

Falta de cúbits

Como podrás recordar, el poder de una computadora cuántica crece exponencialmente conforme se le van agregando cúbits. Sin embargo, los científicos no han podido crear más de 128 cúbits a la vez, lo que limita severamente el poder de una computadora cuántica. 

Construir una computadora cuántica que pueda albergar más de 128 cúbits es uno de los desafíos más grandes en el mundo de la tecnología cuántica. IBM se encuentra en desarrollo de una computadora de 1,121 cúbits, y estima que estará lista en el 2023.

En resumen

Las computadoras cuánticas utilizan la teoría de la mecánica cuántica para procesar información mucho más rápido que una computadora convencional. Esta tecnología promete revolucionar la manera en la que se procesan grandes bases de datos y resolver problemas que actualmente no pueden ser resueltos con una computadora tradicional. Sin embargo, esta tecnología aún no se desarrolla lo suficiente para tener aplicaciones significativas en este momento.